1　引言 　　變頻調速技術及系統的應用能夠使電力傳動系統的控制性能和節能水平有較大幅 度提高。我國現有各類電動機總裝機容量達35億kWh,電耗占總用電量的50％左右。考 慮到生產機械在各種工況下的工作運行，因而配用的拖動電動機功率一般定位在最大工作能 力 情況下。而大量的生產場合由于功率需求始終處在變動狀態中，因此在定速拖動方式下， 無法進 行拖動功率與實際功率需求的匹配平衡。在低功率需求的情況下，就導致大量的電動機處 于 輕載運行，電能利用率低，浪費電能現象嚴重。在電傳系統中，加入變頻器環節，可較大幅 度地降低生產性電耗，還可大大優化生產機械的控制性能。煤炭行業中的礦井通風，配備了 大量的功率較大的主要通風機，其平均效率僅達60％，運行效率不到55％，比國外水平低15個百分點。在礦井主要通風機的拖動系統上實施變頻調速技術改造，可產生良好的經濟效益。  　　2　基本情況介紹 　　山西三元煤業有限公司是新建礦，現在年生產能力已達100萬t，生產用電量很大，主要用 電設備為礦井主要通風機及提升設備。礦井通風設備是根據生產發展規劃配備的，電機及主 要通風機 容量選用的比較大，由于建礦時間短，實際生產能力沒有達到中遠期設計水平，因此通風設備存在較大裕量。 　　三元煤業公司礦井只有一個采區，礦井通風方式為抽出式，設有一個通風機房，裝備兩臺 軸流式 通風機，風機啟動方式為串電抗器降壓啟動，兩臺同型號的主要通風機互為備用。主要通風 機選 用的是沈陽風機廠生產的2K58系列礦井軸流通風機，型號為2K58-No28型，額定電壓600 0V，轉速590r/ min。配備電機均為沈陽電機廠生產的高壓電機，型號為JS-157-10，額 定電壓6000V，額定電流33A，額定功率260kW，轉速 590r/ min。 　　1998年由山西省煤礦節能監測中心對兩臺2K58-No28通風機的性能進行了技術測定。通風 機效率為86.3%；通風機運行工況點為：風量104m3/s，全壓為1996Pa，風機效率為27.5 %， 風機軸功率90kW。針對礦井實際的風量需求，采用調節前導器角度和調節垂直風門開啟度實 現風量調整。經計算，通風機房兩臺2K58-No28通風機采用輪換工作制，與近最佳工況運行 情況相比，每年多消耗電能45.32萬kWh，電能浪費十分嚴重。 　　初期（近10年內），整個風機和電拖動系統處于低效率運行狀態，存在“大馬拉小車”的問題，在礦井生產后期，260kW的電動機仍能 滿 足后期通風的需求。同時電機起動電流過大，盡管加入起動電抗器，起動電流仍然很大。 在正常生產過程中以及采煤斷面的加深和延長，對風量和風壓有著不同的要求，而對風量的 不同需求，一般是通過人工改變風門的開啟度或者改變風機的扇葉角度來實現的，勞動強度 大，風量調控不便，設備維修工作量大。 　　為解決上述問題，我們根據我 礦的實際生產及發展要求，選用北京天寵電力技術有限公司生產的高壓變頻調速器MDS2000- 260/6G一臺，對主要通風機進行變頻調速技術改造。 　　3　風機調速運行節能原理 　　通常調節風量的方法有改變風門開度和改變風機轉速兩種方法。 風機的壓力—風量特性曲線如圖1（略）。 根據風機軸功率諸公式： P=KQp/ηcηb〖JY〗(1) 式中： 　P——軸功率（kW）；　〖WB〗K——系數； 　Q——風量（m3/s）；　ηb——風機效率； 　　p——壓力（Pa）；　　ηc——傳動裝置效率（直接傳動時為1） 風機G2，G5工作點的軸功率為： 　　PG2=KQ2P2/ηcηb(kW) 　　PG5=KQ2P5/ηcηb(kW) 　　△P=KQ2(P2-P5)/ηcηb(kW) 　　△Pn即為風機調速控制所節省的功率，或者說風門調節時要多消耗在風門上的功率 。 根據風機風量、壓力、轉速、轉矩之間的關系： 　　〗Q∝n 　　p∝T∝n2　(2) 　　P∝Tn∝n3 式中：　Q——風量； p——壓力； T——轉矩； P——軸功率〖ZK)〗 　　可以看出，風量與轉速的1次方成正比，壓力與轉速的2次方成正比，軸功率與轉速的3次方 成正比。調節轉速即可調節輸入風機的功率。 交流電機轉速與頻率的關系為： N=60f(1-S)/p　(3) 式中： 　　N——轉速；　　f——電機電源頻率； 　　p——電機極對數； 　 S——轉差率 　　從（1）、（2）、（3）式可以看出，均勻調節電機定子繞組的電源頻率f，就可以均勻地改 變電機轉速，改變轉速即可調節風量的大小。因此調節電機轉速，就可相應地調節輸入風機 的功率。這樣，避免風門調節風量時消耗在風門上的功率，這正是采用變頻調速達到節能的 原理。 　　4　高壓變頻調速器MDS2000工作原理 　　MDS2000高壓變頻器采用直接高-高變換的方式，多電平串聯倍壓技術方案。整個設備是由切 分裝置、變換裝置和控制裝置三部分組成。 　　切分裝置是一個特殊設計的三相隔離變壓器。該變壓器一次輸入有三個分接頭，分別對應的 一次輸入電壓為6000V、6300V、5700V，即對電網的輸入可調整為電網輸入的100%、105%、9 5%，目的在于適應電網寬范圍的電壓輸入。本裝置的變壓器輸入電壓符合國家標準，容 量為330kVA。變壓器的二次有三組輸出，對應三相輸出，每組包括8個獨立的切分單元繞組 ，繞組之間相差一定的電角度，每個繞組輸出同樣大小的三相交流電。 　　本裝置的變換裝置是由24個結構相同的功率模塊組成，主電路結構采用電平串聯倍壓方式， 8個功率模塊串聯成一相，三相輸出采用Y形接法。每個功率單元包含整流、濾波、逆變3 個部分。通過軟件編程，控制逆變部分中的開關元件的開、關規律，從而控制每個逆變模塊 的輸出電壓幅值大小、方向和寬度（相應的頻率）。 　　波形的輸出采用優化的PWM變換技術，對相電壓波形進行優化變形，提高電壓利用率；加上 輸出多電平的串聯倍壓，使得輸出波形更加接進正弦波，有效地抑制輸出電壓和電波的諧 波含量。 　　５　改造方案 　　具體改造方式為：首先恢復風機扇葉數量，將扇葉調整到最佳工作角度３0°，使風機工作 在最佳狀態；利用變頻器變頻調速功能，根據生產對風量和風壓的要求，自動調節風機吸風 量，使風機獲得最大的節能效果；同時變頻器具有軟起動功能，可根據實際情況，設定相應 的起動時間，以減少直接起動所產生的大的沖擊電流，取消了直接起動時所串接的限流電抗 器。 改造后的系統主接線圖如圖2所示： 　　圖2（略） 　　６　改造前后的一些主要數據對比及效益 三元煤業公司在2001年８月初安裝使用該設備，運行一段時間后，并經過測試，整體情況和 以前工頻運行時有以下幾個方面的比較。 （1）改造前后的一些主要數據對比如表1。 （２）整體情況 ①主要通風機變改造后，在滿足正常生產對風量（現在為46.33～53.67m3/s）和風壓（ 1700P a）需求的前提下，電機實際轉速比額定轉速590r/min下降了17%，電機實際功率為電機額 定功率的56%，節電率約在44%。 　　表1　改造前后主要數據對比（略） 　　②變頻改造后，實現了軟起動，取消了起動時的限流電抗器，起動電流大大減小，低于 額定電流，避免的起動電流對電網和電機的沖激。 　　③由于高壓變頻器功率因數高，不需功率補償，因而去掉了原有的并在電機輸入側的電容 器。 　　④測試結果表明，變頻器輸出諧波含量很小，低于4%。 　　⑤變頻改造后，實現了生產對風量的自動控制，提高了設備自動化控制程度和設備的可靠性 。 　　⑥設備磨損減輕、維護費用降低，延長了維護周期，工作強度減少。 　　⑦變頻設備操作簡單，工況良好，運行可靠。 　　⑧變頻運行后設備噪音降低、改善工作環境。 　　７　結語 　　通過此例應用及其他的風機變頻改造應用實例，可以認為：煤礦主要通風機如能較為普遍地 實施變頻調速改造，經濟效益是非常可觀的。 對風機實施變頻技術改造，實際上是在拖動風機的電傳動系統中應用了變頻調速技術。一 方面，變頻調速技術的應用不僅能使電力傳動系統的節能水平有較大提高，另一方面，也能 使電力傳動系統的控制性能也得到較大的提高。 變頻調速技術如能進一步地在風機 拖動以泵類機械拖動、及整個電力傳動系統中推廣應用，將對推動企業科技進步起到重要作用。 信息來源于：中國煤炭